MIT 構建全新視頻協議，優化網絡擁堵，讓視頻不再卡頓

隨著互聯網時代的發展與普及，以及網絡帶寬的不斷提升，視頻觀看量也在逐年提高。思科系統公司此前的一項統計報告中稱，到 2021 年，每一秒將有一百萬分鐘（17,000 小時）的視頻內容跨越全球網絡。據估計，視頻流佔 2017 年所有流量的 75％，預計到 2022 年這一比例將上升至 82％。

但隨著 5G 和 AI 技術的到來，該領域前景又面臨著諸多挑戰。根據多家外媒報導，為了應對即將每月發送數萬 PB 視頻的需求，麻省理工學院（MIT）計算機科學與人工智能實驗室（CSAIL）的科學家提出了一個名叫Minerva的端到端技術協議，利用視頻播放器狀態數據和該文件特徵，對其進行系統級別的優化，對擁堵的帶寬進行適時控制。

（來源：ACM 官網）

據悉，這篇論文將於本月晚些時候在洛杉磯的計算機協會數據通信特別興趣小組（SIGCOMM）上發表，該文作者共有六位，都是 MIT CSAIL 團隊成員，分別是 Vikram Nathan、Mohammad Alizadeh 兩位導師，以及 Vibhaalakshmi Sivaraman、Ravichandra Addanki、Mehrdad Khani 和 Prateesh Goyal 四位研究生。

簡單來看 Minerva 在技術層面是如何實現的。如果用戶正在電視上觀看高清體育比賽，並且另一個人也正嘗試在同一局域網下觀看其他 4K 高清視頻，那麽正常來說，二人將分別配備一半的可用帶寬，這時，播放 4K 視頻的人將處於劣勢，視頻或將直接處於長期緩衝狀態。若此時，應用提供商可以采取適當的優化，智能帶寬分流，便有機會提升多個用戶在同一局域網下觀看視頻的體驗。

MIT 的研究人員指出，隨著視頻流量的不斷增長，多個客戶共享瓶頸鏈接的可能性越來越大。所以，他們提出的 Minerva 端到端協議，將在播放視頻之前對其進行分析，以檢查它們在播放會受到多大影響。這大大減少緩衝以及像素化的問題，無需更改底層基礎設施，就可以輕鬆觀看大片的重要畫面片段。

圖｜顯示的是視頻流片段，左圖是正常播放的（基線），右側是利用 Minerva（來源：MIT CSAIL）

Minerva 可以在離線階段分析這兩個視頻，看看哪個視頻可以從分配更多帶寬中受益，哪個可以使用更低的帶寬來提供，而不會帶來質量問題。該協議然後根據不同用戶的需要分配帶寬，並且將正在播放的視頻內容進行適度調整。

MIT 研究人員將 Minerva 協議實現的機制描述為不同視頻之間不斷發展的“推/拉”。他們強調，Minerva 端到端協議並非專為視頻流而打造，而是希望提供連接層級，動態調整視頻流速率以實現公平性，提升用戶的觀看體驗。

這項技術的核心其實並不簡單。具體來說，Minerva 是通過捕獲帶寬和體驗質量之間關係的技術，加上了分布式算法，提升了整個視頻的流暢度。Minerva 將每個設備中展示的視頻內容，以大小和像素質量為部門，進行技術分析，計算其視頻的動態權重，確定與網絡條件和其他變量的權重成比例的帶寬分配，形成系統級別的優化。

圖｜概述 Minerva 協議的技術圖示（來源：MIT CSAIL）

在實際測試中，MIT 的研究人員將家庭 Wi-Fi 網絡和兩個設備連接到八組客戶端的亞馬遜網絡服務（AWS）中。結果表明，Minerva 能夠將視頻緩衝時間減少近一半，並且很可能會提供視頻本身質量的改進，類似於從 720p 升級到 1080p。

此外，他們表示，通過 Minerva 技術，可能將緩衝的視頻重新分配帶寬，該協議使得平均減少了 47％的總回收時間，將流暢度提升，減少了不必要的流量和網絡帶寬消耗。

“如果你家中有五個人同時播放視頻，我們的系統可以分析各種視頻的視覺效果如何受到下載速度的影響，”麻省理工學院教授、資深作者穆罕默德·阿里扎德（Mohammad Alizadeh）表示，“然後它這個技術信息，將為每個視頻提供最佳的視覺質量，而不會降低其他視頻的體驗。”

MIT 研究人員在論文中提到 Minerva 技術協議的落地環境：首先，Netflix 或 Hulu 等提供商可以利用這一想法將視頻分發給龐大的用戶群，該系統可由視頻提供商引入，無需更改任何硬體，使其基本上成為“ 標準 TCP / IP 協議的替代品”。

“它（Minerva 系統）具有 TCP 的所有優點和簡單性，同時還確保如果有多個視頻在瓶頸的網絡連接上競爭，將給予帶寬在視頻流之間進行公平共享，”Mohammad Alizadeh 表示。

（來源：Sd-cdn.fr）

史丹佛大學計算機科學助理教授 Keith Winstein 表示，傳統方法試圖從技術角度看公平地分配一人一半的帶寬，但是用戶視頻觀看體驗被大大降低，這次提出的 Minerva，或將改變系統和協議在技術上公平的情況，全民或將受益。

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參考：

https://venturebeat.com/2019/08/18/mit-csails-minerva-protocol-cuts-down-on-video-buffering-and-pixelation/

https://www.engadget.com/2019/08/19/mit-minerva-video-buffering/

https://www.csail.mit.edu/news/better-video-streaming-when-wifi-scarce

https://dl.acm.org/citation.cfm?id=3342077

https://www.xataka.com/robotica-e-ia/en-el-mit-tambien-odian-la-espera-de-un-video-cargando-y-ya-buscan-combatirla-con-inteligencia-artificial